Hệ thống MIMO
Khái niệm hệ thống MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều ăng-ten tại cả máy phát và máy thu để tăng tốc độ truyền Tín hiệu được mã hóa theo cả miền không gian và thời gian thông qua bộ mã hóa không gian thời gian (STE: Space-Time Encoder) Sau khi được mã hóa, tín hiệu sẽ được phát đi qua N ăng-ten phát, trong khi máy thu áp dụng phương pháp phân tập thu để tối ưu hóa chất lượng tín hiệu.
Kênh MIMO M × N là một hệ thống kết hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx), với N đầu vào và M đầu ra Trong các trường hợp đặc biệt, cấu trúc này cho phép tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và nâng cao hiệu suất truyền thông.
Trong hệ thống phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO với N = 1 và M = 1, cần đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các ăng-ten phát và thu để tránh ảnh hưởng lẫn nhau Khoảng cách này là một yếu tố quan trọng trong thiết kế mảng ăng-ten nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Mô hình toán học
Bài viết bắt đầu với trường hợp đơn giản của kênh truyền có hệ số truyền xác định, không có fading, chỉ có suy giảm và tiếng ồn, với băng tần hẹp không thay đổi theo thời gian Hệ thống bao gồm N ăng-ten phát và M ăng-ten thu, thường được gọi là hệ thống MIMO MxN Mối quan hệ đầu vào – đầu ra của hệ thống này thường được mô tả qua các công thức cụ thể.
H là ma trận các đặc tính kênh truyền nhƣ thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N ăng-ten phát và M ăng-ten thu
Mô hình toán học đƣợc diễn tả nhƣ sau:
Hình 1.2: Mô hình toán học hệ thống MIMO
Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s = [ ] y = [ ] z = [ ] Cách trình bày khác:
Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = √ Hs + z (1.4)
Với P T là tổng công suất phát từ N ăng-ten phát.
Dung lƣợng kênh MIMO
Dung lượng kênh truyền là tốc độ tối đa mà thông tin có thể được truyền tải với xác suất lỗi thấp Yếu tố tạp âm nhiễu Gauss trắng cộng tính có ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng này.
Băng tần của kênh truyền được đo bằng Hertz (Hz), trong khi tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR) là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng tín hiệu Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể được biểu diễn một cách tổng quát.
Trong thực tế, kênh truyền thường biến động theo thời gian do ảnh hưởng của fading, và được mô phỏng bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Dung lượng kênh truyền được xác định theo công thức: ̅̅̅̅̅̅̅̅ = { , ( )- * +.
Một số kĩ thuật trong hệ thống MIMO cơ bản
Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa và xen kênh Bài viết này sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và sử dụng xen kênh khi độ lợi của kênh truyền rất nhỏ.
Từ mã x 0 Từ mã x 1 Từ mã x 2 Từ mã x 3 h t t
Hình 1.3: Phân tập theo thời gian
Hình vẽ cho thấy rằng từ mã x^2 sẽ bị triệt tiêu bởi fading nếu không sử dụng bộ xen kênh Tuy nhiên, khi có bộ xen kênh, mỗi từ mã chỉ mất một ký tự, cho phép phục hồi lại ba ký tự ít bị ảnh hưởng bởi fading.
Phân tập thời gian đạt được khi truyền dữ liệu giống nhau qua các khe thời gian khác nhau, tại nơi thu tín hiệu fading không tương quan Khoảng cách thời gian tối thiểu cần thiết bằng thời gian tương quan của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading Fading xảy ra do chuyển động tương đối giữa nguồn phát theo thời gian, gây ra hiệu ứng Doppler.
(1.8) Trong đó c: vận tốc ánh sáng f c : tần số ánh sáng f d : tần số doffler ν: vận tốc dịch chuyển của nguồn phát
Mã kiểm soát lỗi là một công cụ quan trọng trong hệ thống truyền thông, cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã kiểm soát lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được phân tập thời gian, với các phiên bản tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Thời gian lặp lại các phiên bản tín hiệu được quy định bởi thời gian xen kênh, giúp thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Mặc dù kỹ thuật này hiệu quả trong môi trường fading nhanh, nhưng việc sử dụng xen kênh quá nhiều trong kênh truyền fading chậm có thể gây ra trì hoãn đáng kể trong quá trình giải mã.
Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, việc sử dụng các tần số khác nhau để phát cùng một thông tin là cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng của fading Để đảm bảo fading trên các tần số khác nhau là không tương quan, khoảng cách giữa các tần số cần lớn hơn vài lần băng thông tương quan Trong truyền thông di động, các tín hiệu phát thường được cung cấp dưới dạng dư thừa trong miền tần số, được gọi là trải phổ, bao gồm các phương pháp như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ, nhưng khi băng thông này lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu, khiến trải phổ trở nên không hiệu quả cho phân tập tần số Cuối cùng, phân tập tần số có thể gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào mức độ dư thừa thông tin trong cùng băng tần.
Phân tập không gian
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập ăng-ten, là một kỹ thuật quan trọng trong truyền thông không dây sử dụng sóng viba Kỹ thuật này áp dụng nhiều ăng-ten hoặc mảng ăng-ten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng-ten được bố trí ở khoảng cách đủ lớn để đảm bảo tín hiệu không tương quan với nhau, giúp cải thiện chất lượng truyền tải và độ tin cậy của tín hiệu.
Khoảng cách giữa các ăng-ten phụ thuộc vào độ cao, môi trường lan truyền và tần số hoạt động, với khoảng cách điển hình là vài bước sóng để đảm bảo tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các phiên bản tín hiệu được truyền đến nơi thu tạo ra sự dư thừa trong miền không gian mà không làm giảm hiệu suất băng thông, điều này rất quan trọng cho truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều ăng-ten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại [2]:
Phân tập ăng-ten phát (hệ thống MISO) là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten tại phía phát để truyền tín hiệu theo cách tổ chức nhất định, nhằm tạo ra các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu Nhờ vào việc tổ hợp các tín hiệu thu được, máy thu có thể giảm thiểu tác động của fading và nâng cao tỷ lệ lỗi bit của hệ thống.
- Phân tập ăng-ten thu (hệ thống SIMO):
Trong hệ thống phân tập ăng-ten thu, việc sử dụng nhiều ăng-ten cho phép nhận các phiên bản tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản này được tổ hợp hoàn hảo nhằm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm thiểu hiện tượng fading đa đường Khi tín hiệu ăng-ten không tương quan, xác suất nhận được tất cả các tín hiệu sẽ thấp hơn nhiều so với khi chỉ có một tín hiệu đơn lẻ Do đó, việc áp dụng kỹ thuật phân tập thu để tổ hợp các tín hiệu một cách thích hợp giúp giảm đáng kể tác động của fading.
Phân tập ăng-ten phát và thu (hệ thống MIMO) là sự kết hợp của hai phương pháp phân tập, sử dụng nhiều ăng-ten tại cả bộ phát và bộ thu, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông.
Độ lợi trong hệ thống MIMO
Độ lợi tạo búp(Beamforming)
Tạo búp giúp hệ thống MIMO tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn, từ đó tăng hiệu quả công suất và giảm can nhiễu từ các hướng không mong muốn Điều này cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống Để thực hiện tạo búp, khoảng cách giữa các ăng-ten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng và thường diễn ra trong môi trường ít tán xạ Trong môi trường tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.
Hình 1.4: Kỹ thuật tạo búp
Độ lợi ghép kênh không gian
Hình 1.5: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
Hệ thống MIMO tận dụng các kênh truyền song song từ nhiều ăng-ten ở cả phía phát và phía thu, cho phép phát tín hiệu độc lập và đồng thời, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần nâng cao công suất phát hay băng thông Dung lượng hệ thống tăng tuyến tính theo số kênh truyền song song Để tối đa hóa độ lợi ghép kênh và dung lượng kênh truyền, thuật toán V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) được áp dụng.
Độ lợi phân tập
Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu luôn biến đổi và bị fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, dẫn đến sự không ổn định tại điểm thu Phân tập cung cấp cho các bộ thu nhiều bản sao tín hiệu giống nhau thông qua các kênh truyền fading khác nhau, cho phép bộ thu lựa chọn hoặc tổ hợp các tín hiệu này để cải thiện chất lượng thu nhận.
TX RX kết hợp các bản sao tín hiệu nhằm giảm tốc độ lỗi biet BER và chống fading, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống Để tối ưu hóa độ lợi phân tập, giảm BER và kháng fading, các thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.
Để xây dựng một hệ thống có dung lượng cao, tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp và khả năng chống fading, cần thiết phải đạt được sự tương quan hợp lý giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong quá trình thiết kế hệ thống.
Lý thuyết tổ hợp tín hiệu ở bộ thu
Những phiên bản của tín hiệu đƣợc tạo ra bằng kĩ thuật phân tập khác nhau cần đƣợc tổ hợp để nâng cao hiệu năng của hệ thống
Trong lý thuyết tổ hợp tín hiệu, các ăng-ten ở bộ thu nhận nhiều bản sao của tín hiệu phát, cho phép ứng dụng dễ dàng cho các kiểu phân tập khác nhau Nguồn của phân tập không ảnh hưởng đến quá trình tổ hợp, ví dụ như việc nhận 2 phiên bản từ tín hiệu phát với phân tập phân cực tương tự như nhận 2 tín hiệu từ 2 ăng-ten để tổ hợp Hai lý thuyết tổ hợp chính là tổ hợp tỉ lệ cực đại và tổ hợp lựa chọn, trong đó chúng ta sẽ tập trung vào tổ hợp tỉ lệ cực đại, là lý thuyết cơ sở cho các phần tiếp theo.
Xét một hệ thống như hình 1.7, bộ thu nhận M bản sao của tín hiệu phát qua M đường độc lập Tín hiệu thứ m nhận được, ký hiệu là r_m, được xác định bởi công thức r_m = s + η_m, trong đó η_m là mẫu Gauss trắng cộng vào bản sao thứ m của tín hiệu Bộ giải mã sẽ tổ hợp M tín hiệu nhận vào để tìm ra tín hiệu gần giống nhất với tín hiệu phát Trong sơ đồ tách sóng kết hợp, bộ thu biết độ lợi đường của kênh Vì các mẫu ồn là biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, tín hiệu nhận được cũng trở thành các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, khi đã biết độ lợi đường của kênh và tín hiệu phát Do đó, hàm mật độ liên kết có điều kiện của tín hiệu bộ thu được xác định.
Trong nghiên cứu này, phương sai của phần thực và phần ảo của Ồn Gauss phức được xác định là No/2 Để tối ưu hóa hàm này, bộ thu cần xác định tín hiệu phát tối ưu nhằm giảm thiểu tổng ∑ Lưu ý rằng trong trường hợp không có phân tập, M=1, do đó hàm giá trị cần cực tiểu hóa trở nên đơn giản hơn Điều này tương đương với việc tìm giá trị ̂ gần nhất với r * trong số các tín hiệu phát khả thi Đối với một chòm sao có ký hiệu năng lượng đồng đều, chẳng hạn như PSK, ta có ̂= ∑ = [ ∑ ∑ ].
Bộ giải mã ML tương tự như hệ thống không phân tập khi thay thế rα* bằng một số trung bình có trọng số của các tín hiệu thu nhận, tức là tổng hợp tỉ lệ cực đại.
MRC áp dụng bộ lọc phù hợp, cụ thể là bộ thu tối ưu cho từng tín hiệu nhận Nó sử dụng trọng số tối ưu để tính toán tổ hợp đầu ra của bộ lọc phù hợp, được biểu diễn bằng công thức m = * m.
Trung bình công suất của kí hiệu phát được ký hiệu là E s, trong khi SNR của bộ thu thứ m được tính bằng γ m = |α m|² (E s /N o) Để xác định SNR đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại, bước đầu tiên là thực hiện các phép tính cần thiết.
Do đó SNR tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là
SNR thu thực sự của hệ thống với độ phân tập M tương đương với tổng SNR thu từ M đường khác nhau Sự tăng M lần trong SNR chủ yếu liên quan đến mối quan hệ giữa xác suất lỗi trung bình và SNR thu trung bình Giả sử rằng tất cả các đường khác nhau đều có cùng một giá trị trung bình.
SNR tức E[γ m ]=A Sử dụng công thức (1.12) , SNR trung bình tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là ̅=MA (1.13)
Sự gia tăng SNR trung bình dẫn đến độ lợi phân tập M Độ lợi phân tập cực đại này đạt được khi có M bản sao của tín hiệu trong kênh Rayleigh fading.
Việc sử dụng MRC (Maximum Ratio Combining) giúp tăng SNR (Signal-to-Noise Ratio) thu thực tế, ảnh hưởng đến xác suất lỗi tại bộ thu Trong hệ thống không phân tập, xác suất lỗi trung bình tỉ lệ nghịch với SNR, cụ thể là A -1 tại SNR cao Mỗi đường trong M đường tuân theo phân bố Rayleigh fading, dẫn đến xác suất lỗi trung bình của hệ thống với M đường Rayleigh độc lập tỉ lệ với A -M Độ lợi phân tập, được định nghĩa là tỉ lệ M trọng số mũ của SNR thu được, cho thấy rằng khi sử dụng MRC, chúng ta đạt được độ lợi phân tập tương ứng với số đường độc lập khả thi.
Điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiều ăng-ten trong các hệ thống truyền thông không dây đã thu hút sự chú ý đáng kể trong thập kỷ qua từ cả giới học thuật và ngành công nghiệp Hệ thống MIMO cho phép khai thác nhiều ăng-ten để đạt được độ lợi ghép, phân tập kênh fading và độ lợi ăng-ten Tuy nhiên, mặc dù có nhiều lợi ích như ghép kênh không gian và hệ thống ăng-ten thông minh, hệ thống MIMO vẫn gặp phải những thách thức lớn về độ phức tạp và chi phí, chủ yếu do ba vấn đề chính.
- Can nhiễu giữa các kênh (ICI), là do chồng chất nhiều chuỗi thông tin độc lập đƣợc truyền bởi nhiều ăng-ten phát;
Đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS) là yếu tố quan trọng không thể thiếu trong các giả định cơ sở cho các phương pháp mã hóa không-thời gian và trễ phần tập.
- Nhiều chuỗi tần số vô tuyến để truyền tải tất cả các tín hiệu đồng thời
Kỹ thuật MIMO gặp khó khăn trong việc thực hiện do yêu cầu số lượng ăng-ten thu lớn hơn ăng-ten phát, điều này bị giới hạn bởi chi phí trên điện thoại di động và trong các ứng dụng thiết lập đường xuống Việc này làm tăng năng lượng cần thiết cho phần cứng và xử lý tín hiệu, đặc biệt tại các trạm điện thoại di động Tuy nhiên, với những lợi ích vượt trội, MIMO vẫn là mục tiêu nghiên cứu để phát triển các phương pháp mới nhằm giảm thiểu những hạn chế thực tế mà vẫn giữ được lợi thế quan trọng Gần đây, điều chế không gian đã được đề xuất như một giải pháp mới cho hệ thống MIMO, giúp giảm độ phức tạp và chi phí mà không làm giảm hiệu suất, đồng thời đảm bảo tốc độ dữ liệu tốt Thiết kế bộ phát-thu đơn giản và hiệu suất phổ cao có thể đạt được thông qua các kỹ thuật điều chế và mã hóa khéo léo.
Kỹ thuật SM chỉ sử dụng một ăng-ten phát để truyền dữ liệu trong bất kỳ khoảng thời gian tín hiệu nào, giúp tránh hiện tượng ICI và không yêu cầu đồng bộ giữa các phần từ ăng-ten phát Điều này chỉ cần một chuỗi RF để truyền dữ liệu, khác biệt rõ rệt so với kỹ thuật MIMO thông thường, nơi nhiều ăng-ten được sử dụng để truyền đồng thời nhiều luồng dữ liệu Hơn nữa, SM cho phép thiết kế bộ thu một luồng với độ phức tạp thấp, giúp giải mã hợp lệ cực đại (ML) một cách hiệu quả.
Vị trí của mỗi ăng-ten trong mảng ăng-ten được sử dụng như nguồn thông tin thông qua việc thiết lập ánh xạ 1-1 giữa chỉ số ăng-ten và khối bit thông tin, tạo ra cơ chế mã hóa gọi là điều chế mã hóa chỉ số ăng-ten phát Nhờ vào phương pháp này, SM có thể đạt được độ lợi ghép không gian so với hệ thống đơn ăng-ten truyền thống, vì thông tin được truyền tải hoàn toàn thông qua vị trí của ăng-ten Do đó, mặc dù chỉ một ăng-ten hoạt động, SM vẫn có thể cung cấp lưu lượng dữ liệu cao.
SM là một kỹ thuật truyền dẫn lớp vật lý mới, kết hợp độc đáo giữa điều chế số, mã hóa và nhiều ăng-ten Điều này giúp đạt được tốc độ dữ liệu cao với độ phức tạp thực thi thấp.
Nguyên lý kĩ thuật điều chế không gian
Điều chế không gian là một lý thuyết phát nhiều ăng-ten độc đáo, khác với các kỹ thuật nhiều ăng-ten khác, khi coi nhiều ăng-ten phát như một mô hình chòm sao Ý tưởng cốt lõi là ánh xạ một khối bit thông tin vào một điểm chòm sao trong miền tín hiệu và một điểm chòm sao trong miền không gian Điều này cho phép tách thành hai khối bit: một khối mang thông tin từ tín hiệu điều chế thông thường (như QAM, PSK) và một khối mang chỉ số duy nhất gán cho một ăng-ten phát, được chọn từ tập hợp các ăng-ten trong mảng ăng-ten.
Hình 2.1 minh họa quá trình điều chế không gian ánh xạ một chuỗi bit thành các điểm trong chòm sao tín hiệu và chòm sao không gian Các điểm trong chòm sao không gian được đóng trong ngoặc đơn, với mỗi điểm tạo thành một lớp chòm sao tín hiệu Trong hình, có hai lớp chòm sao dành cho ăng-ten thứ nhất (00) và ăng-ten thứ tư (11).
Bộ thu ước lượng đơn vị thông tin giúp khôi phục khối bit thông tin, sử dụng kỹ thuật phát và thu điều chế không gian Ý tưởng nhúng thông tin vào vị trí ăng-ten là kỹ thuật lai giữa điều chế và MIMO, trong đó tín hiệu được điều chế dựa trên giản đồ chòm sao 3 chiều, bao gồm cả thông tin tín hiệu và thông tin không gian Ví dụ, với mạng ăng-ten tuyến tính Nt=4 và điều chế QPSK, khi đơn vị mang thông tin chỉ là chỉ số ăng-ten phát, SM giảm xuống thành điều chế SSK, giúp tránh phụ thuộc vào các phương pháp điều chế thông thường và giảm độ phức tạp của bộ thu cần thiết.
Hình 2.2: Bộ phát SM lựa chọn ăng-ten và lựa chọn loại tín hiệu phát
Ta xét chi tiết hơn hoạt động của hệ MIMO-SM lần tƣợt từ bộ phát qua mộ trường đến bộ thu
Tại bộ phát, chuỗi bit nhị phân được chia thành các khối, mỗi khối gồm log2(Nt) + log2(M) bit Trong đó, log2(Nt) và log2(M) là số bit cần thiết để xác định một ăng-ten trong mảng và một ký hiệu trong sơ đồ chòm sao tương ứng Mỗi khối sẽ được xử lý bởi một bộ ánh xạ.
SM được chia thành hai khối nhỏ, mỗi khối chứa log2(Nt) và log2(M) bit Bit trong khối đầu tiên dùng để chọn ăng-ten phát dữ liệu, trong khi các ăng-ten khác không hoạt động trong thời gian phát tín hiệu Bit trong khối thứ hai được sử dụng để chọn một ký hiệu trong sơ đồ chòm sao tín hiệu Ví dụ trong hình 2.2, ăng-ten phát thứ hai được kích hoạt để phát dữ liệu bởi hai bit đầu tiên (10), và một tín hiệu nhị phân -1 được gửi từ chiều ra tương ứng đến bit thứ ba (1) Nếu sử dụng điều chế SSK thay vì SM, mỗi ăng-ten khi chuyển mạch sẽ phải gửi cùng một tín hiệu ra, do đó thông tin chỉ được mã hóa trên một vị trí trong mảng ăng-ten Từ quy tắc này, bảng ánh xạ từ các khối bit sang tín hiệu BPSK được phát đi như sau.
Khối bít đầu vào N=4 M=2 ( ăng-ten truyền)
Giả sử vào đầu thu, tín hiệu ước lượng được ký hiệu là -1 và ăng-ten phát là Tx2, ta có thể giải mã chuỗi bit truyền nhận được là 100.
Việc cần làm ở bộ thu là ƣớc lƣợng 2 tham số trên để có thể giải ngƣợc lại bộ thu
Hình 2.3: Kênh không dây và bộ thu
Tín hiệu từ một ăng-ten hoạt động được truyền qua hệ thống kênh không dây, và do vị trí không gian khác nhau của các ăng-ten trong mảng, tín hiệu từ mỗi ăng-ten sẽ trải qua các điều kiện truyền lan khác nhau Sự tương tác với môi trường dọc theo đường truyền ảnh hưởng đến chất lượng liên kết không dây Nguyên tắc làm việc cơ bản của điều chế không gian được thể hiện qua các tín hiệu tác động đến từng ăng-ten thu, tương ứng với từng ăng-ten trong mảng 4 ăng-ten phát.
Chỉ có một ăng-ten phát hoạt động tại một thời điểm, đảm bảo rằng chỉ một tín hiệu được nhận Các ăng-ten phát khác không bức xạ, điều này cho thấy vai trò quan trọng của các kênh không dây như "đơn vị điều chế" Chúng truyền tải một dấu hiệu khác để phân biệt các tín hiệu phát ra từ các ăng-ten riêng biệt tại bộ thu Nếu các kênh phát thu không đủ khác biệt, dữ liệu trao đổi có thể bị ảnh hưởng do tín hiệu từ các ăng-ten phát trở nên giống nhau.
Bộ thu khai thác sự điều chế ngẫu nhiên từ tác động của kênh không dây giúp tách sóng tín hiệu Trong hình 2.3, bộ tách sóng ML sử dụng thông tin trạng thái kênh hoàn hảo tại bộ thu, cho phép tách sóng tín hiệu phát từ tín hiệu thu ồn Rx, với điều kiện bộ thu phải ước lượng kênh Hình 2.2 cho thấy bộ thu cần ước lượng 4 đáp ứng xung tương ứng (N t =4 và N r =1), do đó N t N r đáp ứng xung kênh cần được ước lượng Theo nguyên lý ML, bộ thu tính toán khoảng cách Ơclit giữa tín hiệu nhận và tập hợp các tín hiệu khả dĩ được điều chế, chọn tín hiệu gần nhất để giải mã Kết quả là tất cả các bit trong khối phát được giải mã và khôi phục về chuỗi bit gốc.
2.3 Cách tính gần tối ƣu để ƣớc lƣợng đồng thời ký hiệu phát và chỉ số anten phát
Cách tính này theo sơ đồ tổng quát của hệ thống MIMO SM nhƣ hình 2.4 gồm [8]:
- Hệ thống ăng-ten phát
- Hệ thống ăng-ten thu
- Bộ ƣớc lƣợng chỉ số phần tử ăng-ten phát
- Bộ ƣớc lƣợng kí hiệu
- Bộ giải điều chế không gian
Tín hiệu đầu vào Q(k) được điều chế thành tín hiệu X(k) thông qua một bộ điều chế Tín hiệu X(k) này được xác định dựa trên bảng đối chiếu theo quy tắc của điều chế không gian, phụ thuộc vào số lượng ăng-ten phát và loại điều chế được sử dụng để mã hóa tín hiệu.
Xét một chuỗi dữ liệu cụ thể q(k)=[0 1 1 1 0 0] với điều chế BPSK Chuỗi dữ liệu này đƣợc chuyển thành vector s(k) với độ dài 3 bit
Dựa vào bảng ánh xạ s(k) đƣợc ánh xạ thành vector x(k)
Giải điều chế yêu cầu ước lượng chính xác chỉ số ăng-ten phát và kí hiệu phát, nhằm tạo cơ sở vững chắc cho quá trình giải điều chế không gian.
Có thể ước lượng bằng các phương pháp như thông qua tổ hợp tỉ lệ cực đại MRC hoặc i-MRC
Trong phần này xin giới thiệu phương pháp iMRC (iterative-maximum ratio combining) [8]
Sơ đồ khối nhƣ sau
Hình 2.4 : Sơ đồ khối SM có sử dụng bộ thu i-MRC
Nguyên lý i-MRC chỉ cho phép một ăng-ten phát tại một thời điểm, trong khi chỉ số ăng-ten có thể thay đổi tại mỗi khoảng truyền tiếp Tại bộ thu, chỉ có một ăng-ten được truyền và các ăng-ten nhận được xem xét riêng biệt Bộ thu lặp đi lặp lại tính toán MRC giữa các kênh đa đường từ ăng-ten phát để tương quan với các ăng-ten thu Nếu toàn bộ kênh truyền đã được biết, bộ thu sẽ chọn ăng-ten phát có tương quan cao nhất Trong mô hình điều chế không gian, vector nhị phân q(k) được ánh xạ thành vector x(k) có kích thước Nt, trong đó chỉ một phần tử khác 0 Kí hiệu x l trong vector kết quả x(k) tương ứng với ăng-ten phát thứ l, với l thuộc [1:N t ] Kí hiệu x k được phát từ ăng-ten thứ k qua kênh MIMO, H(k), mà có thể được viết thành vector với mỗi vector tương quan với độ lợi đường kênh giữa ăng-ten phát và các ăng-ten thu.
Vector thu khi đó là
Với w(k) là ồn Gauss trắng cộng tính
Số thông tin bit truyền, n, có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tín hiệu điều chế hoặc điều chế không gian Ví dụ, với 3 bit trên 1 kí hiệu, có thể sử dụng 4 ăng-ten phát với điều chế BPSK Nếu sử dụng 2 ăng-ten phát và điều chế 4QAM, vẫn có thể truyền 3 bit Tương tự, với 4 bit, điều chế BPSK và 8 ăng-ten có thể sử dụng 4QAM, trong khi với 2 ăng-ten, điều chế 8QAM cũng có thể đạt được hiệu suất phổ tương tự.
Nói chung nhƣ đã nói ở phần nguyên lý của SM, số bit có thể truyền sử dụng điều chế không gian đƣợc đƣa ra theo công thức
Hình 2.5 Ví dụ về điều chế BPSK 4 ăng-ten phát và điều chế 4-QAM 2 ăng-ten phát n=log2(Nt)+log 2 (M) (2.16) Ƣớc lƣợng chỉ số ăng-ten phát
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến việc sử dụng dữ liệu điều chế không gian để xác định thông tin ký tự và chỉ số ăng-ten phát Việc ước lượng ăng-ten phát là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực này Chúng tôi giới thiệu một lý thuyết mới nhằm phát hiện chỉ số ăng-ten phát một cách hiệu quả.
Với vector nhận y(k) được lặp lại nhiều lần, thông qua độ tăng đường kênh đã được giải tại bộ thu, ta có thể ước lượng cả ký tự truyền và chỉ số ăng-ten g j = h j H y với j=1:N t Kết quả này cho phép xác định g=[g 1 g 2 …g Nt ] T, trong đó ̃=argmax|g| ̃=q(g (j=l)), với q(.) là hàm lượng tử chòm sao.
Giả sử ƣớc lƣợng đúng với ̃và ̃, bộ thu có thể giải mã trực tiếp thông tin bit gốc
Bộ tách tối ƣu dựa trên nguyên tắc hợp lệ cực đại nhƣ sau [3], [11]
Là hàm mật độ xác xuất của y, điều kiện trên x jq và H
Nhƣ vậy thuật toán ƣớc lƣợng đồng thời cả kí hiệu phát và chỉ số ăng-ten phát để phục vụ giải điều chế không gian
2.4 Tính toán SER trong trường thợp gần tối ưu dùng MRRC
Ƣu, nhƣợc điểm của điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Nhƣợc điểm
- Cần ít nhất 2 ăng-ten phát và số ăng-ten phát phải là lũy thừa của 2 để thực thi mô hình điều chế không gian
Bộ thu yêu cầu kênh đã biết để phát hiện dữ liệu, điều này có thể làm giảm độ phức tạp của đơn vị ước lượng kênh ngay từ khi bắt đầu lượng kênh.
So với kỹ thuật V-BLAST, điều chế không gian chỉ tăng tỷ lệ dữ liệu theo hàm logarit với số ăng-ten phát, thay vì tăng tuyến tính như V-BLAST Điều này cho thấy điều chế không gian có thể bị giới hạn nhưng vẫn đạt được hiệu suất phổ rất cao với số ăng-ten phát.
MIMO thông thường không sử dụng SM
Điều kiện mô phỏng ban đầu :
Số ăng-ten thu : 4 Điều chế 64-QAM Không sử dụng điều chế không gian Kênh truyền là đã biết tại nơi thu
So sánh với cùng điều kiện nhƣng sử dụng điều chế không gian để thấy tỉ lệ lỗi bit
Hình 3.1: So sánh BER giữa MIMO SM và MIMO không sử dụng SM
Với kết quả đồ thị trên hình 3.1 ta thấy rõ ràng tỉ lệ lỗi bit đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng kĩ thuật MIMO-SM
Ví dụ tại tỉ số SNR nhỏ cụ thể là bằng 5 thì BER chênh lệch giữa đường cong MIMO SM và MIMO thông thường là khoảng 0.05
Sự chênh lệch này càng mở rộng tại SNR lớn hơn Tại SNR% độ chênh lệch BER là 10 -1 với MIMO thường và 10 -3 với MIMO-SM.
MIMO SM với các tín hiệu 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM 42
Số ăng-ten thu : 4 Điều chế 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM
Sử dụng điều chế không gian Kênh truyền là đã biết tại nơi thu
Hình 3.2: So sánh BER giữa các điều chế QAM
Theo kết quả từ đồ thị, với cùng số lượng ăng-ten thu phát, các loại điều chế khác nhau cho thấy sự chênh lệch về tỷ lệ lỗi bít (BER) Khi SNR nhỏ hơn 5, các đường cong biểu thị BER gần như tương đồng với độ chênh lệch không đáng kể Tuy nhiên, tại SNR, BER cho các điều chế 16-QAM, 32-QAM, và 64-QAM lần lượt là 0.7x10^-3, 0.5x10^-3, và 10^-2.
Sử dụng 16-QAM cho phép truyền ít bit trong mỗi ký tự điều chế so với 64-QAM, nhưng lại đạt được tỉ lệ lỗi bit tốt hơn Khi thực hiện mã hóa, cần cân nhắc giữa dung năng kênh và tỉ lệ lỗi bit để đảm bảo đáp ứng yêu cầu mã hóa một cách hiệu quả.
So sánh MIMO SM khi sử dụng hệ có số lƣợng ăng-ten thu phát khác nhau
Số lượng ăng-ten phát-thu trong hệ thống MIMO-SM có tác động đáng kể đến chất lượng tín hiệu Hình dưới đây minh họa tỉ lệ lỗi bit giữa các trường hợp M t xM r với cùng loại điều chế 64-QAM.
Hình 3.3: So sánh giữa hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8, 8x4, 8x2
Theo kết quả, tỉ lệ lỗi bit đạt hiệu quả tốt nhất khi số ăng-ten thu bằng số ăng-ten phát trong điều kiện tối ưu.
Một lần nữa, cần xem xét vấn đề đánh đổi và thỏa hiệp giữa các yếu tố tùy thuộc vào mục đích sử dụng thiết kế hệ thống Việc sử dụng nhiều ăng-ten trong hệ thống có thể làm tăng độ phức tạp của nó.